金刚石 石墨教学课件

金刚石与石墨教学课件本课件旨在深入介绍碳元素的两种重要同素异形体金刚石与石墨的结构、性质及——应用作为人教版初三化学的配套扩展材料，本课件将帮助学生理解材料微观结构与宏观性质的关系，培养科学思维能力碳单质简介碳在自然界中的存在形态碳在自然界中以多种形式存在，包括单质形态金刚石、石墨、无定形碳（如煤、炭黑）•化合物形态碳酸盐矿物（如石灰石、大理石）、化石燃料（煤、石油、天然气）•大气中二氧化碳（约）•415ppm生物体所有已知生命形式的基本组成元素•碳元素（）位于元素周期表第族（族），原子序数，电子C14IV A6排布为，外层有个价电子，可以形成多种化合物碳原1s²2s²2p²4子可以彼此结合形成强大的共价键网络，这种特性使碳成为生命和材料科学的基础元素金刚石与石墨的发现简史公元前4世纪1金刚石在印度被首次发现并用作珠宝古印度人称之为（雷霆），认为它具有神奇力量《古印度宝石学》vajra（）详细记载了金刚石的特性与分类当时金刚石主要来自印度南部的戈尔康达地区Ratnapariksha213世纪马可波罗将金刚石相关知识带回欧洲，促进了欧洲对这种奇特矿物的研究中世纪欧洲人认为金刚石具有神奇的药·用价值，甚至可以抵御毒药和瘟疫1565年3石墨在英国坎伯兰郡（）被首次大规模发现并开始工业开采当时人们误以为它是一种铅矿，称之为Cumberland黑铅（）或英国成为当时世界上唯一的石墨生产国，其产品主要用于铸造炮弹模具black leadplumbago41779年瑞典化学家舍勒（）证明石墨是碳的一种形式，而非含铅矿物此后，拉瓦锡（Carl WilhelmScheele Antoine）进一步确认了金刚石与石墨都是碳的同素异形体，为理解它们的本质奠定了基础Lavoisier金刚石基本结构四面体结构与sp³杂化金刚石具有独特的三维立体结构，其中每个碳原子通过杂化轨道与周围四个sp³碳原子形成共价键，呈四面体排列这种杂化方式使碳原子的四个价电子均匀分布在空间的四个方向上，形成稳定而对称的结构杂化的特点sp³四个等价的杂化轨道，空间上呈四面体排列•轨道间夹角为°•

109.5每个杂化轨道中含有一个电子•形成的共价键强度极高•金刚石晶体结构可以看作是多个碳原子四面体的三维网络，形成了整个晶体的刚性骨架每个碳原子都牢固地结合在这个三维网络中，没有自由电子，这解释了金刚石许多独特的物理和化学性质石墨基本结构层状六边形网状结构与sp²杂化石墨具有典型的层状结构，其中碳原子通过杂化轨道在平面内与三个相邻碳原子形成共价键，构成规则的六边形网sp²络每个碳原子还有一个未参与杂化的轨道，垂直于平面，含有一个电子2p杂化的特点sp²三个等价的杂化轨道，位于同一平面内•杂化轨道间夹角为°，形成平面六边形结构•120每个碳原子还有一个未杂化的轨道，垂直于平面•p轨道电子形成离域键，可在层内自由移动•pπ金刚石原子结构立体示意图三维网络结构键角与键长金刚石的三维晶体结构可以被描述为两金刚石结构中的关键参数个交错的面心立方格子，偏移量为晶格键长•C-C

0.154nm常数的四分之一这种复杂的空间排列键角°（四面体角）使得金刚石具有极高的对称性和稳定性•C-C-C

109.5晶胞参数•a=

0.3567nm原子密度×原子从几何学角度看，金刚石的原子排列可•

1.7710²³/cm³以被视为一系列相互连接的六元环和十元环的组合这些环状结构以特定方式在三维空间中延伸，形成了一个高度稳定的网络石墨原子结构平面示意图层内结构层间结构石墨的层内结构是由碳原子组成的规则石墨的层间特征六边形网络在这个平面网络中层间距约•

0.3354nm键长（比金刚石•C-C

0.142nm层间作用力弱范德华力•中的短）

0.154nm层叠方式交替排列（最常见•ABAB键角°（平面六边形角）•C-C-C120的六方石墨）六边形边长•

0.142nm石墨层间的弱范德华力使得石墨层能够六边形内径•

0.246nm轻易滑动，这就是石墨具有良好润滑性的原因不同于层内牢固的共价键网络，这种六边形网络结构类似于蜂窝，碳原层间的弱相互作用允许石墨层被机械力子位于每个六边形的顶点每个碳原子分离，甚至可以剥离出单层石墨（石墨通过键与三个相邻碳原子形成强共价键，σ烯）构成平面网络金刚石与石墨的形成条件金刚石的形成条件石墨的形成条件金刚石形成需要极端的高温高压环境石墨在相对温和的条件下形成深度地幔深处，约公里以下温度通常在°范围内•150-200•500-800C温度通常需要°以上压力低压环境，约•1200C•

0.1-

0.3GPa压力（相当于地表大气压的倍）形成环境地壳变质作用过程中•5-6GPa50,000-60,000••形成时间数百万至数十亿年石墨的主要形成途径金刚石主要通过以下地质过程形成有机物在变质作用下脱氢、脱氧形成•地幔中碳的直接结晶碳酸盐岩与硅质岩接触变质••含碳物质（如石墨）在高温高压下的相变岩浆中溶解的碳在冷却过程中析出••火山喷发将深层形成的金刚石快速带到地表热液活动沉淀碳质物质••金刚石的光学性质独特的光学特性金刚石因其特殊的原子结构和电子排布，展现出一系列卓越的光学性质高折射率（红光）至（紫光），远高于大多数透明材料

2.

4172.451强色散性色散值为，导致入射白光被分解为彩虹色谱

0.044高透明度纯净金刚石在紫外到远红外范围（至）均有优异透光性225nm25μm荧光性部分金刚石在紫外光照射下会发出蓝色或其他颜色荧光火彩现象因高折射率和强色散而产生的闪烁彩色光芒金刚石的这些光学特性不仅使其成为珍贵的珠宝，也使其在光学仪器、激光窗口和红外光谱学中具有重要应用价值金刚石可以制作出耐高能激光的窗口材料，在高能物理和激光武器系统中发挥关键作用金刚石的火彩效应金刚石著名的火彩（）效应是由其高折射率和强色散性共同作fire用产生的当白光进入金刚石时，不同波长的光被不同程度地折射，导致光线分离成彩虹般的色谱这些分离的色光从钻石的不同表面反射后射向观察者的眼睛，形成闪烁的彩色光芒石墨的电学性质导电机理石墨的电学性质主要源于其特殊的电子结构离域电子每个碳原子的未杂化轨道中的电子形成大范围的离域键πpπ自由电子流动这些电子可以在整个石墨层内自由移动，类似于金属中的传导电子π各向异性导电性层内电导率约，而垂直于层面方向仅为⁻10⁴S/m10²S/m载流子浓度⁻，介于金属和半导体之间~10¹⁸-10¹⁹cm³电极材料应用石墨作为电极材料的优势良好的导电性•化学稳定性高，耐腐蚀•高温稳定性好•成本相对较低•机械加工性能佳•石墨的导电性是其最重要的物理特性之一，这种性质源于其独特的层状结构和杂化形式这使得石墨在电池、电极和电子材料领域具有广泛应用sp²金刚石的热学性质12超高热导率热导机理金刚石的热导率高达（室温下），金刚石超高热导率的原因2000-2200W/m·K是目前已知天然材料中最高的这一数值约为强共价键网络提供了高效的热振动传递路径•铜的倍（铜）•5400W/m·K轻质碳原子振动频率高，声子传播速度快•铝的倍（铝）•10237W/m·K简单的晶格结构减少了声子散射•银的倍（银）•

4.5429W/m·K德拜温度高（约），导致室温下几乎所有声•2200K子模式都被激活纯净的单晶金刚石在（°）温度下，热导率100K-173C可达，这一数值接近理论极限10,000W/m·K3低热膨胀系数金刚石的热膨胀系数极低•线膨胀系数约

1.18×10⁻⁶/K（20°C）仅为大多数金属的•1/10-1/20在°至°范围内变化很小•-150C800C这种低热膨胀特性使金刚石在需要高精度、高稳定性的光学和精密仪器中具有独特优势石墨的润滑性润滑机理石墨的优异润滑性源于其独特的层状结构层间弱作用力石墨层之间仅靠弱范德华力连接（约），远低于层内共价键（约）

5.4kJ/mol524kJ/mol层间距大的层间距允许石墨层在外力作用下轻易滑动

0.335nm滑动方向选择性石墨层可在平行于层面方向自由滑动，但垂直方向抗压性好环境影响水分和气体分子可插入层间，进一步降低摩擦系数在干燥环境中，石墨的摩擦系数约为；而在潮湿环境中，可降至，这使其成为优秀的固体润滑剂

0.1-

0.

20.05-

0.1润滑应用石墨润滑剂的主要应用形式干粉润滑剂直接使用石墨粉末石墨浆料石墨粉与油或水混合石墨复合材料与金属、聚合物混合制成自润滑复合材料石墨涂层在金属表面涂覆石墨层工业应用场景石墨润滑剂在许多特殊条件下具有不可替代的优势高温环境石墨在空气中稳定到约°，惰性气体中可达°以上450C3000C重载条件能承受高达的载荷100MPa腐蚀环境对大多数化学品有良好的抗腐蚀性真空环境不像油类润滑剂那样蒸发电接触需求同时提供润滑和导电功能金刚石的化学稳定性常温下的化学惰性金刚石在室温下表现出极高的化学稳定性不溶于任何已知酸碱，包括王水（浓硝酸和浓盐酸的混合物）•不与氧气反应（即使在氧气丰富的环境中）•对几乎所有常见化学试剂都具有极强的抵抗力•表面氧化需要°以上的温度•500C这种卓越的化学稳定性源于金刚石坚固的三维共价键网络，碳原子之间强大的键合力使外部化学物质难以破坏其结构高温下的化学反应在高温条件下，金刚石会发生以下反应氧化反应°开始在氧气中燃烧，生成₂600-800C CO碳化反应与某些过渡金属（、、等）在高温下反应形成金属碳化物Fe CoNi氢化反应在氢等离子体中，表面碳原子可与氢结合形成键C-H卤化反应°以上可与氟气反应形成四氟化碳1000C值得注意的是，即使在高温下，金刚石的化学反应速率也远低于其他形式的碳，例如石墨或无定形碳表面化学金刚石表面的化学性质与体相有所不同表面碳原子可能具有悬挂键，提高了表面活性•可通过特定处理在表面引入官能团（如₂等）•-OH,-COOH,-NH表面可以吸附水分和其他极性分子•表面可以进行特定的催化反应•石墨的化学反应性氧化反应石墨的主要化学反应是氧化反应•在空气中约450-650°C开始明显氧化•氧化产物主要为CO₂和少量CO•反应方程式C+O₂→CO₂•强氧化剂（如高锰酸钾、重铬酸钾等）可在低温下氧化石墨值得注意的是，石墨的氧化温度明显低于金刚石（约700-800°C），这是由于石墨层边缘的碳原子活性较高插层反应石墨特有的层状结构使其能够进行插层反应•原子或分子可插入石墨层间形成石墨插层化合物（GICs）•常见插层剂包括碱金属（如K、Rb、Cs）、卤素、金属氯化物等•插层会导致层间距增大，改变石墨的电学、热学和力学性质例如，K插层石墨（KC₈）呈现金黄色，是一种优良的还原剂；H₂SO₄插层石墨可用于生产膨胀石墨金刚石主要用途珠宝——钻石珠宝市场规模金刚石珠宝是全球最重要的奢侈品之一全球年产量约亿克拉原石（约吨）•

1.530宝石级钻石约占总产量的•20%全球钻石珠宝市场规模约亿美元（年数据）•5502022主要消费市场美国（约占全球市场的）、中国、日本、印度、欧洲•40%钻石评级体系宝石级钻石通常使用标准评级4C克拉重量（）克拉克Carat1=

0.2颜色（）从（无色）到（浅黄）Color DZ净度（）从（无瑕）到（明显内含物）Clarity FLI3切工（）从极优（）到差（）Cut ExcellentPoor切工被认为是最重要的因素，因为它直接影响钻石的火彩和光泽切割工艺钻石切割是将原石转变为宝石的关键工艺常见切割形状圆形明亮式（最流行，约占）、公主方、椭圆形、祖母绿形、心形等•70%现代切割利用先进技术如激光切割和计算机辅助设计•一颗克拉的成品钻石约需要克拉原石•

12.5切割过程通常包括规划、劈分、磨圆、刻面和抛光•金刚石工业用途超硬材料应用金刚石是已知最硬的天然物质，其工业应用广泛切割工具金刚石锯片、切割轮和钻头，用于切割混凝土、石材、陶瓷等硬脆材料磨削和抛光金刚石磨轮、金刚石砂纸和金刚石抛光膏，用于精密加工和表面处理钻探工具金刚石钻头在石油、天然气和矿产勘探中发挥关键作用线锯金刚石线锯用于切割大型石材、半导体晶锭等绘图笔用于在玻璃等硬质材料上划线或刻字工业用金刚石通常采用多晶金刚石复合体（PCD）或金刚石颗粒烧结体形式，提供更好的机械性能和使用寿命这些工具的工作原理是利用金刚石的硬度对工件表面进行微观切削或研磨金刚石薄膜涂层化学气相沉积（CVD）技术可在各种基底上沉积纳米到微米厚度的金刚石膜•用于提高刀具、模具的耐磨性和使用寿命•作为光学窗口的保护涂层•用于微电子机械系统（MEMS）的抗摩擦涂层•生物医学植入物的生物相容性涂层散热应用金刚石卓越的热导率使其成为理想的散热材料半导体热沉用于高功率激光二极管、微处理器和功率电子器件RF功率放大器提高通信设备的散热效率LED照明延长高功率LED的使用寿命航空电子设备提高可靠性和性能金刚石高科技应用量子技术光学应用氮空位（）中心缺陷的金刚石在量子计算和量子传感中具有重-NV金刚石的光学特性使其成为高端光学元件的理想材料要应用高功率激光窗口•量子比特载体•红外光谱仪窗口•单光子源•射线单色器•X超高灵敏度磁场传感器•高压实验观察窗口•纳米尺度温度传感•生物医学电子器件金刚石纳米颗粒在生物医学领域具有独特优势金刚石半导体具有广阔的应用前景药物递送载体高频高功率电子器件••生物成像标记高温电子器件（可在°工作）••600C生物传感器抗辐射电子器件••人工关节涂层大功率开关和整流器••人工合成金刚石技术现代技术已经能够大规模生产高质量的人工金刚石，主要有两种方法高温高压法（HPHT）化学气相沉积法（CVD）模拟金刚石的自然形成条件在低压环境中从碳氢气体中沉积碳原子••温度°温度°•1300-1600C•700-1000C压力可生产大面积单晶和多晶金刚石•5-6GPa•主要用于生产工业用金刚石•石墨主要用途冶金应用电极材料润滑与密封耐火材料高炉、钢包、坩埚等耐火材料的重要组成电解铝铝电解槽阳极（全球最大单一用途）固体润滑剂高温、高压、腐蚀环境下的润滑铸造可锻铸铁孕育剂，改善铁的机械性能电弧炉钢铁和硅生产中的电极密封材料膨胀石墨用于制造垫片和密封圈钢铁添加剂增加钢材的抗磨损性和自润滑性电池电极锂离子电池负极材料轴承材料与金属复合制成自润滑轴承金属加工高温锻造和挤压工艺的润滑剂燃料电池质子交换膜燃料电池的双极板导热膏提高电子设备散热效率全球约15%的石墨用于冶金工业，是保证金属生产和加工的关键材料电极应用消耗了全球约60%的石墨产量，是石墨最重要的工业用途石墨的层状结构使其成为理想的润滑材料，特别是在极端环境中新兴应用随着技术发展，石墨在新领域的应用不断拓展核反应堆中子减速剂和反射体航空航天耐高温结构材料、火箭喷嘴防火材料膨胀石墨用于防火涂料和密封条电磁屏蔽防止电磁干扰的屏蔽材料导热膜移动设备散热材料新型石墨材料石墨烯——发现与研究里程碑石墨烯的发现过程年安德烈海姆（）和康斯坦丁诺沃肖洛夫（）在英国曼彻斯特2004·Andre Geim·Konstantin Novoselov大学首次成功分离出单层石墨烯年两位科学家因从石墨中分离出二维石墨烯晶体并研究其性质获得诺贝尔物理学奖2010年全球石墨烯专利申请数量激增，欧盟启动石墨烯旗舰计划，投资亿欧元2011-201310至今石墨烯产业化进程加速，应用领域不断扩展2013-石墨烯的卓越性能石墨烯具有一系列惊人的物理性质石墨烯是由单层碳原子以杂化方式形成的二维蜂窝状晶格结构，被称机械强度抗拉强度约，是钢的倍sp²130GPa200为奇迹材料它是最薄、最轻、最强、导电性和导热性最好的材料之一，导电性电子迁移率高达，远高于硅200,000cm²/V·s开创了全新的材料科学领域导热性热导率高达，超过金刚石5,000W/m·K光学特性尽管只有一个原子厚度，仍能吸收的可见光

2.3%比表面积理论值高达，远高于活性炭2,630m²/g柔性可弯曲伸展达而不破损20%金刚石与石墨的转化石墨→金刚石转化将石墨转化为金刚石需要特定的温度和压力条件自然转化地幔深处高温高压环境（5-6GPa，1200-1600°C）HPHT法使用大型压机模拟地幔条件爆炸法利用爆炸瞬间产生的冲击波（上百GPa）转化CVD法不是直接转化，而是从气态碳源构建金刚石结构转化机理

1.高压下石墨层间距减小

2.平面sp²杂化重排为立体sp³杂化

3.碳原子重新排列成四面体结构

4.形成三维金刚石晶格这一过程需要足够的能量来克服能量势垒（约

0.4eV/原子）催化剂（如Fe、Ni、Co等）可以降低转化所需的温度和压力金刚石→石墨转化金刚石在标准温度和压力下是亚稳相，理论上会自发转化为石墨，但这一过程在常温下极其缓慢常温转化速率可忽略不计，需要数十亿年高温低压1700°C以上，真空或惰性气体环境中开始明显转化氧气存在温度降至约600-700°C即可发生氧化而非转化转化过程是sp³杂化向sp²杂化的转变，涉及化学键重排和晶体结构重构这一过程释放能量（金刚石比石墨能量高约

2.9kJ/mol），从热力学角度是自发的，但存在较高的动力学势垒相图解析碳的相图显示了不同温度和压力下碳的稳定存在形式富勒烯简介C60发现历程富勒烯的发现是现代科学的重要里程碑年罗伯特柯尔（）、哈罗德克罗托（）和理查德斯莫利（）在模拟星际空1985·Robert Curl·Harold Kroto·Richard Smalley间条件的实验中意外发现₆₀分子C年沃尔夫冈克雷奇默（）和唐纳德赫夫曼（）开发出大规模生产富勒烯的方1990·Wolfgang Krätschmer·Donald Huffman法年柯尔、克罗托和斯莫利因发现富勒烯获得诺贝尔化学奖1996富勒烯被命名为巴克球（），以纪念美国建筑师巴克明斯特富勒（），因为₆₀的结构类似于Buckyball·Buckminster FullerC他设计的测地线穹顶分子结构₆₀富勒烯具有独特的几何结构C由个碳原子组成的闭合球形结构•60每个碳原子与个相邻碳原子通过杂化轨道形成共价键•3sp²分子表面由个六边形和个五边形组成（与足球结构相似）•2012所有五边形彼此分离，符合孤立五边形规则•分子直径约•

0.7nm具有高度对称性（对称群）•Ih富勒烯家族₆₀是富勒烯家族中最稳定、最具代表性的成员，但还存在多种其他富勒烯分子C₇₀椭球形，比₆₀稍大C C₇₆、₈₂、₈₄中等大小的富勒烯C C C₂₄₀、₅₄₀大型富勒烯CC内嵌富勒烯内部包含原子或小分子的富勒烯，如₈₂（表示内嵌）La@C@富勒烯衍生物表面修饰或功能化的富勒烯C60性质与用途展望物理性质外观纯C₆₀为黑色或深棕色晶体溶解性不溶于水，可溶于某些有机溶剂如甲苯熔点约1180°C（在惰性气体中）电学性质本身为半导体，掺杂后可成为超导体机械性质具有极高的抗压强度，可承受约3000个大气压而不变形热稳定性在惰性环境中稳定至约1000°C化学性质反应活性尽管结构稳定，但能进行多种化学反应加成反应可与多种物质发生加成反应还原性可接受多达6个电子，形成[C₆₀]⁶⁻光化学性质在光照下可产生单线态氧，具有光敏作用自由基捕获每个C₆₀可捕获多达34个甲基自由基封装性能空腔内可封装原子或小分子生物医学应用药物载体可用于靶向药物递送抗氧化剂捕获自由基，减轻氧化应激抗病毒活性对HIV病毒等具有抑制作用光动力治疗用于癌症治疗MRI造影剂金属内嵌富勒烯作为高效造影剂基因转染辅助DNA进入细胞材料科学应用光伏材料有机太阳能电池的电子受体超导材料碱金属掺杂的富勒烯具有超导性催化剂特定反应的高效催化剂储氢材料可吸附氢气分子润滑剂分子级轴承超级电容器高能量密度储能材料碳单质晶体结构对比1结构特征特性金刚石石墨₆₀富勒烯C碳原子杂化方式杂化杂化介于和之间sp³sp²sp²sp³基本结构单元四面体六边形网格足球状（个六边形个五边形）20+12维度特征三维网络二维层状零维分子碳原子配位数（层内）433键长（均一）（层内）（五边形六边形）C-C

0.154nm

0.142nm

0.139nm-

0.146nm（六边形六边形）-键角°°°（五边形）°（六边形）C-C-C

109.5120108120结构稳定性对比关键性能对比从能量角度比较三种碳同素异形体的稳定性三种碳同素异形体性能的本质差异源于其原子排列方式石墨最稳定形式，能量最低（标准状态下）金刚石全方位共价键网络赋予极高硬度和热导率，但缺乏自由电子导致电绝缘性金刚石亚稳态，比石墨能量高约石墨层内强共价键与层间弱范德华力的结合，导致显著的各向异性和良好的导电性

2.9kJ/mol₆₀亚稳态，比石墨能量高约₆₀闭合的球形分子结构，兼具特殊的光电性质和化学反应性C

37.8kJ/mol C虽然石墨是标准状态下最稳定的形式，但转化的动力学势垒很高，使得金刚石和富勒烯在常温常压下具有很长的存在时间世界金刚石与石墨资源分布金刚石资源分布石墨资源分布全球金刚石资源主要集中在以下地区全球石墨资源主要集中在以下地区非洲中国•博茨瓦纳（全球最大产钻国，约占产量25%）•全球最大石墨生产国，产量占全球总量约65%（2023年）•刚果民主共和国（产量大但多为工业级）•主要分布在黑龙江、内蒙古、山东等地•南非（历史悠久的钻石产地）•黑龙江萝北县拥有世界最大石墨矿•安哥拉、纳米比亚、塞拉利昂巴西世界第二大石墨生产国，以高品位鳞片石墨著称俄罗斯印度主要产区在奥里萨邦，拥有大量中高品位矿藏•萨哈共和国（雅库特）拥有世界级钻石矿莫桑比克巴拉武资源区拥有世界级大型石墨矿床•全球第三大钻石生产国马达加斯加安巴托维地区拥有高品质大鳞片石墨澳大利亚阿盖尔Argyle矿曾是世界上最大的钻石矿之一，以产粉钻著称，已于2020年关闭其他加拿大、墨西哥、乌克兰、俄罗斯也有重要石墨资源加拿大西北地区的埃卡蒂Ekati和迪亚维克Diavik矿2022年全球天然金刚石产量约

1.25亿克拉，价值约145亿美元人工合成金刚石与天然金刚石合成金刚石现状HPHT法人工合成金刚石已成为主流高温高压法是最早商业化的合成方法全球工业用金刚石以上为人工合成原理模拟地幔环境，在催化剂存在下将石墨转化为金刚石•90%年产量约亿克拉（约吨），远超天然金刚石条件温度°，压力•15030001300-1600C5-6GPa珠宝级合成金刚石市场份额从年的增长至年的约设备六面顶压机、带式高压装置或分裂球形装置•20161%202310%主要生产国中国（占全球产量以上）、美国、俄罗斯、韩国、优点产量高，成本相对较低，可生产大尺寸单晶•70%日本缺点产品常含金属催化剂杂质，影响电学性能CVD法化学气相沉积法是发展较快的新技术原理在低压环境中，从含碳气体中分解出碳原子并沉积形成金刚石条件温度°，压力低于700-1000C

0.1MPa气体源通常为甲烷和氢气的混合物优点可生产高纯度金刚石，适合电子和光学应用缺点生长速率慢，大尺寸单晶制备困难天然钻石与合成钻石的区别鉴别技术尽管化学成分完全相同，天然钻石与合成钻石仍存在一些差异现代技术可以可靠地区分天然与合成钻石生长模式天然钻石通常呈八面体生长，合成钻石常呈立方体生长光谱分析红外和紫外可见光谱可检测特征吸收-包裹体天然钻石含矿物包裹体，合成钻石含金属包裹体，合成钻荧光成像等设备可显示特征生长结构HPHT CVDDiamondView™石几乎无包裹体射线地形术显示内部结构和应力分布X生长区带合成钻石常显示特征性生长区带光度计测试检测特征光学性质荧光性在短波紫外光下表现不同石墨产业前沿——新能源电池石墨负极材料类型锂电池用石墨负极主要有以下几种人造石墨由石油焦、针状焦等碳前驱体在°下石墨化制得•2500-3000C优点循环性能好，倍率性能优•缺点生产成本高，能耗大•市场份额约•70%天然石墨经过纯化、球化、碳包覆等处理的天然鳞片石墨•优点容量高，成本低•缺点循环性能和倍率性能较差•市场份额约•25%复合石墨天然石墨和人造石墨的复合材料•结合两者优点，平衡性能和成本•市场份额逐年提升•锂离子电池负极材料金刚石与石墨前沿研究进展超高纯金刚石半导体近年来，高纯电子级金刚石的研究取得重要突破•CVD法可生产杂质浓度低于ppb级的超高纯金刚石•掺硼p型和掺磷n型金刚石半导体已成功制备•金刚石基肖特基二极管可在1200V/10A条件下工作•日本AIST开发的金刚石场效应晶体管在600°C仍能正常工作金刚石半导体的主要优势是高击穿电场（10MV/cm）、高热导率和宽禁带宽度（

5.47eV），有望在高温、高频、大功率电子设备中应用量子级联器件金刚石中的量子缺陷中心成为量子技术的重要平台•氮-空位（NV）中心可在室温下表现出量子相干性•单光子源已实现室温工作•磁场灵敏度达pT级，可用于脑磁图和心磁图检测•哈佛大学实现了基于金刚石NV中心的量子网络原型金刚石量子传感技术有望应用于生物医学成像、地质勘探和军事探测等领域石墨烯柔性电子石墨烯在柔性电子领域的应用研究快速发展•石墨烯透明导电膜电阻率低至10Ω/□，透光率高达

97.7%•可弯曲OLED显示器已进入商业化阶段•石墨烯基可穿戴生物传感器可实时监测生理指标•韩国研究团队开发出基于石墨烯的可拉伸电子皮肤石墨烯的高导电性、透明度和机械柔性使其成为柔性电子的理想材料，推动了下一代可穿戴设备的发展超级电容器石墨基材料在能源存储领域取得重大进展•石墨烯/过渡金属氧化物复合电极能量密度达100Wh/kg•三维多孔石墨烯电极功率密度高达100kW/kg•中国科学院开发的石墨烯基超级电容器可在-60°C工作•石墨烯/导电聚合物复合电极实现快速充放电（数秒内）这些高性能储能材料有望应用于电动汽车快充、智能电网和可再生能源存储等领域化学与材料科学联系性质决定应用材料的特定性质决定了其应用领域金刚石的硬度使其成为切割工具的理想材料•石墨的导电性使其适用于电池电极••富勒烯的笼状结构使其能作为药物载体从微观到宏观的科学思维石墨烯的二维结构赋予其独特的电学和力学性质结构决定性质•现代材料科学建立在多尺度理解之上金刚石与石墨是结构决定性质原理的经典案例•原子级结构（晶格、键合）•相同的碳原子通过不同排列方式形成截然不同的物质•介观结构（晶粒、相界面）•金刚石的三维网络结构导致极高硬度•宏观性质（力学、电学、热学性能）•石墨的层状结构赋予其导电性和润滑性•工程应用（功能、可靠性、成本）微观结构变化直接反映在宏观性能上•材料科学的跨学科性质材料科学的思维方法现代材料科学整合了多个学科的知识学习金刚石与石墨不仅是掌握具体知识，更是培养科学思维方法化学提供分子结构、化学键和反应机理的基础结构思维理解物质结构与性质的内在联系物理解释材料的电学、光学和磁学性质系统思维将微观结构与宏观性质作为一个整体考虑数学建立材料性能预测模型对比思维通过比较不同材料发现规律工程学实现材料的加工和应用应用思维将材料特性与实际需求相匹配小结与思考题要点回顾结构特征物理性能金刚石杂化，四面体结构，三维网络金刚石最硬、导热好、电绝缘、透明•sp³•石墨杂化，层状六边形网络，层间弱作石墨软、导电好、不透明、层间易滑动•sp²•用力富勒烯分子状态，可溶于有机溶剂，具有特•富勒烯球状分子，由五边形和六边形组成殊光电性质延伸阅读•《碳材料科学与工程》，中国科学院金属研究所编著主要用途•《》，•Diamond:Electronic Propertiesand ApplicationsL.S.金刚石珠宝、切割工具、散热材料、量子传感•Pan石墨电极、润滑剂、铅笔芯、电池负极•《》，•The GrapheneHandbook RonMertens石墨烯柔性电子、复合材料、传感器、能源存储•《》，•Fullerenes:Principles andApplications F.Langa思考题结语如果将金刚石加热到°，在惰性气体环境中会发生什么变化？为什么？

1.2000C为什么石墨能导电而金刚石不能？从电子结构角度解释

2.如何设计一种结合金刚石硬度和石墨导电性的新材料？

3.工业上如何鉴别天然金刚石和合成金刚石？主要依据是什么？

4.未来年，你认为石墨烯最有可能在哪些领域取得突破性应用？为什么？

5.10。